1.1 引言

声作为最早受到关注和研究的自然现象，具有至关重要的利用价值。比如，在日常生活中，很多人都喜欢听音乐，有些音乐让人感到兴奋、愉悦，而有的音乐却让人悲愤、伤心，这说明声波可以传递信息。中国中医讲究“望、闻、问、切”，其中“闻”就是根据患者声息的高低、清浊来判断病情。当今医学的B超或彩超利用超声波可以更准确地获得人体内部的疾病信息。人们可以通过对自然次声特性和产生机制的研究预测自然灾害事件[1，2]。比如，台风和海浪摩擦会产生次声波，由于它的传播速度远大于台风移动的速度，用一种叫“水母耳”的仪器去检测次声波，即可在台风来临之前发出警报。声呐被动接收鱼雷等水中目标产生的辐射噪声和发射的信号，可以测定目标的方位和距离。图1-1是声波传递信息实例示意图。在这些与声探测相关的研究领域中，如何准确有效地获取声信息很重要，因此研究者发明了声传感器。

图1-1 声波传递信息实例示意图

传统的电声传感器[3-6]包括：①压电式声传感器[7，8]，如基于AIN薄膜的声传感器，虽然灵敏度高，压电系数较低，可进行甚低频检测，但其制备工艺还不成熟，频响带宽窄；②压阻式声传感器[9-11]，体积小、灵敏度高，但存在动态范围小、温漂大的缺点；③电容式声传感器[12-14]，灵敏度高、频率响应平坦、动态范围大、瞬态响应好，常被用于高质量的拾音场合或高声压级噪声测量，但缺点是高灵敏度和宽频率响应范围不可兼得，而且价格偏高，必须外加高电压，在许多场合使用起来不方便；④驻极体式声传感器[15-17]，它是电容式声传感器的一种，其优点是省去了极化电压的装置，电路也简化了，从而体积小巧，价格相对低廉，缺点是存在退极化现象，极化电压保持时间有一定限度，在潮湿环境中容易发生漏电。另外，电声传感器还普遍存在在强辐射等恶劣环境下难以正常工作的缺陷。光学声传感器[18，19]可抗电磁干扰和微小型化，但是，其依赖于机械变形结构[20，21]（如薄膜）的位移来进行声探测，引入了自共振，所实现的灵敏度具有频率依赖性。

近年发展起来的一种新型光学声传感器通过一个微型法布里-珀罗谐振腔（简称法珀腔）实现了无振膜纯光学的声检测[22，23]。该传感器的新颖之处在于它不是通过感应腔镜的运动或变形来实现声探测的，而是通过感知腔内传播介质折射率的微小变化来实现声探测的（如图1-2所示）。全刚性的结构方案消除了机械共振所带来的影响，能够获得非常平坦的频率响应，可解决现有振膜光学声传感器件的灵敏度和适用性等瓶颈问题。

图1-2 声压致法珀腔腔内介质折射率变化的声传感原理示意图

无振膜纯光学声传感器采用全光学纯固态原理代替机械振动原理，具有耐高声压、线性频率响应和高分辨率的优点，非常适合用于大推力运载火箭和涡扇发动机超高声压噪声的测量。另外，无振膜纯光学声传感技术还在超声计量领域[如噪声监测、工业无损检测[24]、医疗诊断[25]和海洋探测（见图1-3）]等中具有特别的吸引力。虽然奥地利XARION激光声学公司已经对无振膜纯光学麦克风的相关研究成果进行了报道，但出于商业机密，在航空航天及超声计量领域有着巨大应用前景的该器件的结构加工和封装技术及信号提取方式均未被提及。因此，为了摆脱高端声传感器件长期依赖于进口的现状，开展具有自主知识产权的核心声敏感器件的技术攻关具有一定的战略意义和实际应用价值。

图1-3 无振膜纯光学声传感技术的应用领域

另外，光学声传感器的微型化也是重要的发展趋势，微型化的核心是微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）技术。MEMS技术是用于微传感器的批量化、集成化制造技术，具有高集成度、多功能集成、高附加值等优势。光学MEMS是MEMS技术与光学技术相互融合而形成的技术分支，可将传统的光学元器件制造技术提升到微型化、阵列化、批量化的新高度。尤其是智能物联网时代的到来，MEMS光学声传感器凭借微型化、低功率、高集成度、低成本的优势成为最具发展前景的声传感技术。